Wenn die stille Kerze leuchtet

In der Advents- und Weihnachtszeit sorgen Kerzen für eine gemütliche Atmosphäre. Flackernde Lichter erleuchten den Adventskranz oder tauchen den Frühstückstisch in ein angenehm rötliches Licht. Aber auch beim Besuch des Lübecker Weihnachtsmarkts oder beim Spazieren durch Lübecks Gassen sieht man oft Kerzen, die nicht mit Wachs und echtem Feuer, sondern mit LEDs und Batterien erleuchten. Diese Kerzen leuchten nicht, indem sie vergehen.
In der Robotik-AG haben wir uns der Frage gewidmet, wie diese Kerzen gebaut und programmiert werden müssen, sodass diese die Lichterscheinung einer echten Kerze hinreichend gut nachempfinden. Hierfür muss zu Beginn beobachtet werden, welche Eigenschaften eine brennende Kerze eigentlich aufweisen. Besonders wichtig ist natürlich die Farbe der Flamme – Rot-, Gelb- und Mischformen dieser Farben werden von einer unregelmäßig flackernden Flamme abgestrahlt. Für die Realisierung standen uns ein Arduino, insbesondere ein Mikrocontroller und eine RGB-LED zur Verfügung (siehe folgende Abbildung).

R, G und B stehen hierbei für die Farben Rot, Gelb und Blau. Offensichtlich taucht die Farbe Gelb nicht in der LED auf. Diese benötigen wir auch tatsächlich gar nicht. Farbiges Licht gehorcht nämlich der additive Farbmischung.

Aus einer Mischung von grünem und rotem Licht und Variation der jeweiligen Intensitätsanteile, erhalten wir schließlich einen kontinuierlichen Farbverlauf vom gelben, über orangenem bis rotem Licht. Kommen alle drei Farben in voller Intensität und gleichen Anteilen zusammen, ergänzen sie sich zu Weiß.

Dieses Prinzip nutzen auch moderne Smartphones, wie die folgenden Bilder eindrucksvoll darlegen. Mithilfe eines Mikroskops kann man erkennen, dass auch ein Smartphone-Bildschirm aus RGB-Farbpixeln aufgebaut ist. Auch hier wird ein orangenes Bild durch die Kombination von roten und grünen Farbanteilen dargestellt.

Beim elektrischen Kerzenlicht erfolgt die Mischung der gewünschten Farbanteile durch die gezielte Manipulation der elektrischen Spannung, die an den einzelnen Farb-LEDs digital (mithilfe von Programmcode) angelegt wird. Hinter dem zufälligen Aufflackern stecken sog. computergenerierte Zufallszahlen (auch Pseudozufallszahlen genannt). Durch sie hält der Zufall Einzug in die scheinbare Bewegung der programmierten Flamme. Um schließlich ein weiches Licht der LEDs zu erzeugen, wird eine weiße Papierflamme über die Dioden gesetzt. Für unsere Kerze wurde eine Art Bischoffsmütze gefaltet, die die Form einer Kerzenflamme darstellen soll. Das ausgestrahlte Licht wird dann an diesem Papier in alle Richtungen gestreut.
Man muss sich schon wundern, wie viel Physik und Technik in diesem scheinbar kleinen Projekt steckt. Das Endresultat ist im folgenden Bild dargestellt.

Um die technische Kerze in ihrem ganzen Wirken zu erleben, dürfen interessierte Schülerinnen und Schüler gerne am Freitag in der 7. und 8. Stunde die Robotik-AG besuchen (gerne auch regelmäßig).

Liebe Grüße gehen an Philipp Volmer, 7c, der sich diesem Projekt gewidmet hat.

Tizian Evers